JP2004146370A - 直接型メタノール燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】　生成された蒸気を凝縮する熱交換器の構成を簡素にして小型化を図ることのできる直接型メタノール燃料電池を提供する。
【解決手段】　アノード７とカソード９との間に電解質膜１１を挟み込んだ構成の燃料電池セル５と、前記アノード７に対してメタノールを供給するための燃料供給手段と、前記カソード９に対して空気を供給するための空気供給手段と、前記カソード９から排気される気体を凝縮する熱交換器３１とを備え、前記空気供給手段によって前記カソード９へ供給する空気を前記熱交換器３１によって加熱する構成であり、また、燃料供給手段によって前記アノード７へ供給するメタノールを熱交換器３１Ａによって加熱する構成であり、さらに、前記カソード９から排気される気体の一部を前記空気供給手段に回収自在の構成である。
【選択図】　　　図４

Description

　本発明は直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）に係り、さらに詳細には、燃料電池セルにおいて生成した水（蒸気）を燃料の一部として再利用する際に、凝縮器（熱交換器）の負荷を小さくして小型化を図ることのできる直接型メタノール燃料電池に関する。

　直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池セルにおける前記アノードにメタノールの水溶液を供給し、カソードに対して空気を供給する構成が一般的である。

直接型メタノール燃料電池において、燃料として供給されるメタノール水溶液の濃度と流量は運転条件を決定する上で重要である。

　したがって、メタノール水溶液の濃度が低いところで動作する直接型メタノール燃料電池において、燃料電池セルから排気される気体中の水（蒸気）を燃料の一部として回収せずに動作する場合には、燃料タンクはメタノール水溶液を収容することとなり、燃料タンクの容量が大きくなるという問題がある。

　そこで、燃料電池セルから排出される蒸気を凝縮器において凝縮して水を回収し、この回収した水を燃料の一部として再利用することが行われている。

　本発明に関係あると思われる先行技術として次の特許文献がある。
特開平２−４４６５３号公報 特開平２−８６０７０号公報 特開平４−１１５４６８号公報 特開２００２−１１０１９９号公報

　従来、燃料電池において凝縮器を冷却する場合、凝縮器冷却用のファンを駆動し、外気を凝縮器に与えることによって凝縮器の冷却を行っている。すなわち冷却用のファンが必要であり、それだけ電力消費が余分になると共に構成が複雑となり、小型化を図る上において問題がある。

　本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池セルと、前記アノードに対してメタノールを供給するための燃料供給手段と、前記カソードに対して空気を供給するための空気供給手段と、前記カソードから排気される気体を凝縮する熱交換器とを備え、前記空気供給手段によって前記カソードへ供給する空気によって前記熱交換器の冷却を行う構成である。

　また、本発明は、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池セルと、前記アノードに対してメタノールを供給するための燃料供給手段と、前記カソードに対して空気を供給するための空気供給手段と、前記カソードから排気される気体を凝縮する熱交換器とを備え、前記燃料供給手段によって前記アノードへ供給するメタノールによって前記熱交換器の冷却を行う構成である。

　また、本発明は、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池セルと、前記アノードに対してメタノールを供給するための燃料供給手段と、前記カソードに対して空気を供給するための空気供給手段とを備え、前記カソードから排気される気体の一部を前記空気供給手段に回収自在の構成である。

　また、本発明は、上記直接型燃料電池において、前記燃料電池セルを内装した筐体の排気口付近に、当該排気口から排出される気体に外気を混合するための外気混合手段を備えた構成である。

　また、本発明は、燃料電池セルと、当該燃料電池に対して燃料を供給するための燃料供給手段と、前記燃料電池セルに対して空気を供給するための燃料供給手段とを内装した筐体の排気口付近に、当該排気口付近内の気体に外気を混合する外気混合手段を備えた構成である。

　本発明によれば、燃料電池セルにおいての未反応のメタノール、水を回収し、及び生成された水を回収して燃料の一部として再利用するとき、生成した水を凝縮する熱交換器を冷却するためのファンを省略可能であり、電力消費を抑制することができると共に熱交換器の冷却構成がより簡素となり、全体的構成の小型化を図ることができるものである。

　図１を参照するに、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１は、全体的構成を内装した筐体３を備えており、この筐体３内には燃料電池セル５が配置してある。上記燃料電池セル５は、メタノールを電気化学的酸化する触媒（メタノール酸化電極触媒）を有するアノード（燃料極）７と酸素を選択的に電気化学的還元する触媒（酸素還元電極触媒）を有するカソード（空気極）９との間に電解質膜１１を挟み込んだ構成の単セル１３Ａ，１３Ｂの間にヒータ１５を挟み込んだ構成でもって例示してある。なお、燃料電池セルとしては前記単セルであっても良いものである。

　前記燃料電池セル５におけるアノード７に対して燃料としてのメタノールを供給するために、前記筐体３内には燃料供給手段が備えられている。すなわち、筐体３内にはメタノールを収容したタンク１７が設けられており、このタンク１７内のメタノールは、タンク１７に接続したポンプＰ１によって混合バッファタンク１９に送出されるものである。

　上記混合バッファタンク１９は、前記タンク１７からポンプＰ１によって送出されたメタノールと前記燃料電池セル５から回収された水とを混合するものであって、この混合バッファタンク１９の開口部には気液分離膜２１が設けてあり、この開口部と前記筐体３の排気口２３との間には開閉弁２５が配置してある。そして、この混合バッファタンク１９内のメタノール水溶液を前記燃料電池セル５のアノード７に供給するために、前記バッファタンク１９と前記アノード７とを接続した燃料供給路２７にはポンプＰ２が配置してある。

　前記燃料電池セル５におけるカソード９において生成した水（蒸気）を回収するために、前記カソード９の出口側に接続した排出路２９は熱交換器（凝縮器）３１に接続してあり、かつ上記熱交換器３１の排気口３３は前記筐体３の外部に開放してある。そして、前記燃料電池セル５の前記カソード９へ空気を供給するための空気供給手段が設けてある。この空気供給手段によって前記カソード９へ供給する空気と熱交換を行うべく、筐体３の入口３５と前記カソード９とを接続した空気供給路３７は前記熱交換器３１内を経由して設けてあり、かつ前記空気供給路３７には、前記カソード９に対して空気を送気するためのポンプＰ３が配置してある。

　前記熱交換器３１内に回収された水を前記混合バッファタンク１９へ送給するために、熱交換器３１と混合バッファタンク１９とを接続した接続路３９には送水、送気用のポンプＰ４が配置してある。また、前記燃料電池セル５のアノード７において未反応のメタノール及び水を回収するために、前記アノード７の出口側に接続した排出路４１は前記接続路３９に接続してある。

　以上のごとき構成において、ポンプＰ２によって燃料電池セル５のアノード７に対してメタノール水溶液を供給し、またポンプＰ３によってカソード９に対して空気を供給して燃料電池セル５において発電が行われと、カソード９には水（蒸気）が生成される。

　カソード９において生成した水（蒸気）及び空気中の窒素、未反応の酸素は排出路２９を経て熱交換器３１へ流出する。そして、入口３５から空気供給路３７に流入した外気との間において熱交換が行われ、蒸気は凝縮されて水となり、熱交換器３１内に溜ることになると共に、気体及び蒸気の一部は冷却されて出口３３から筐体３の外部へ排出されることになる。

　前記熱交換器１内の凝縮された水および燃料電池セル５のアノード７からの排出物はポンプＰ４によって回収されて、混合バッファタンク１９へ送給される。この混合バッファタンク１９においては、ポンプＰ１によってタンク１７から送給されるメタノールと前記ポンプＰ４による回収物が混合され、混合されたメタノール水溶液が前記ポンプＰ２によってアノード７へ供給されるものである。

　前述したように、前記混合バッファタンク１９においてはメタノールと回収物（水）との混合が行われると共に気液分離が行われ、アノード７において生成されたＣＯ₂ 等の気体は排気口２３から筐体３の外部へ排出されるものである。

　以上のごとき説明より理解されるように、燃料電池セル５において生成された水を回収しメタノール濃縮液の希釈に利用して燃料の一部に利用するものであるから、タンク１７はメタノール水溶液でなくメタノール濃縮液を収容することができ、タンク１７の小型化を図ることができるものである。

　また、熱交換器３１においては、冷却用の外気をファン等によって供給する構成ではなく、燃料電池セル５に対して供給する空気を用いて熱交換器３１の冷却を行う構成であるから、熱交換器３１を冷却する構成がより、簡単になり負荷が小さくなると共に、燃料電池セル５に供給される空気が高温となり効率が向上するものである。

　さらに、燃料電池セル５のアノード７において未反応のメタノールを回収して再利用することができ、燃料の無駄な消費を少なくすることができるものであって、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。

　図２は第２の実施形態を示すもので、前述した実施形態と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

　この第２の実施形態においては、燃料電池セル５のカソード９へ供給する空気を利用して熱交換器３１において熱交換を行う構成に替えて、前記燃料電池セル５のアノード７へ供給する燃料（メタノール水溶液）を利用して、熱交換器３１Ａで熱交換を行う構成としたものである。

　上記構成においては、燃料電池セル５へ供給される空気に代って、熱交換器３１Ａにおいては燃料によって冷却される形態となるものであり、凝縮によって得られた水は、接続路３９Ａを介して再利用されるものであって、前述と同様の効果を奏し得るものである。

　図３は第３の実施形態を示すものである。この第３の実施形態においては、燃料電池セル５のカソード９から排出される気体の一部を、前記カソード９へ供給するための空気（外気）に混合して、カソード９で生成され放出される水の量を減少すると共にカソード９側に水分を補給して、電解質膜１１及びカソード９の加湿制御を行なおうとするものである。

　したがって、第３実施形態においては、カソード９の出口側に接続した排出路２９に開閉弁４３を設けると共に空気を吸引する空気供給路３７に開閉弁４５を設け、さらに、前記排出路２９と空気供給路３７とを短落可能に接続自在の開閉弁４７を設けた構成である。

　上記構成により、前記各開閉弁４３，４５，４７の開度を適宜に調整することにより、排出路２９から排出される気体（蒸気）の一部を空気供給路３７に取り込んで循環することができるものであり、カソード９の加湿制御に利用することができるものである。なお、この構成においては、タンク１７にはメタノール水溶液を収容しておくことが望ましいものである。

　図４は第４の実施形態を示すものである。この第４の実施形態は、前記第１〜第３の実施形態の構成を組合せたものである。この第４の実施形態においては、前述した第１〜３の実施形態のそれぞれの効果を奏し得ると共に組合せた効果を奏し得るものである。

　すなわち、複数の熱交換器３１及び３１Ａを備えた構成となり、燃料電池セル５で生成されて排出される蒸気の回収を２段階的に行うこととなり、水の回収率が向上するものである。また、燃料電池セル５へ供給される空気及びメタノール水溶液が共に熱交換器３１，３１Ａにおいて熱交換されることとなり、効率が向上するものである。

　図５は第５の実施形態を示すものである。この第５の実施の形態においては、燃料電池セル５のアノード７及びカソード９から排出される排出物をポンプＰ４によって回収して、混合バッファタンク１９に還流する構成である。

　この構成によれば、アノード７においての未反応のメタノール及び水を排出路４１から回収して再利用し、またカソード９において生成された水（蒸気）は排出路２９から回収されてタンク１７から送給されるメタノールの希釈に利用されるものであって、前述の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。

　ところで、上記構成においては、混合バッファタンク１９から排出される気体に含まれる蒸気の分圧は飽和蒸気圧近傍であるから、排気口２３付近において凝縮し易く、排気口２３付近に多量の水滴が付着することがある。そこで、前記排気口２３から排出される気体に外気を混合するための外気混合手段が設けてある。すなわち、前記排気口２３付近へ外気を供給するためのポンプＰ５を設けた構成である。

　したがって、前記排気口２３付近の気体に対してポンプＰ５から供給される外気を混合することにより、排気口２３から排出される気体の飽和蒸気圧を十分に低下させることができ、排気口２３において蒸気が凝縮することを防止でき、排気口２３に水滴が付着することを防止できるものである。

　図６は第６の実施形態を示すもので、前述した第２の実施形態の構成と第３の実施形態の構成とを組合せた構成であって、かつ排出路２９の出口３３付近に、外気混合手段を設けた構成である。すなわち、前記出口３３付近において、ポンプＰ６から供給される外気を、前記出口３３から排出される気体に混合して筐体３の外部へ排出する構成としてある。

　したがって、第６の実施形態においては、前記第２の実施形態及び第３の実施形態の効果と同様の効果を奏し得ると共に、前記第５の実施形態と同様に出口３３付近において蒸気が凝縮することを防止でき、出口３３に多量の水滴が付着することを防止できるものである。

　図７は第７の実施形態を示すもので、前述した第３の実施形態の構成において、排出路２９を排出路４１に接続して、前述した第５の実施形態と同様に、燃料電池セル５のアノード７及びカソード９から排出される排出物をポンプＰ４によって回収し、混合バッファタンク１９に還流する構成である。したがって、上記構成によれば、前述した第５の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。

　図８は第８の実施形態を示すもので、前述した第３の実施形態の構成において、前述した第６の実施形態と同様に、排出路２９の出口３３付近に、外気混合手段を設けた構成である。すなわち、前記出口３３付近において、ポンプＰ６から供給される外気を混合して筐体３の外部へ排出する構成としてある。したがって、上記構成によれば、前述した第３の実施形態及び第６の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。

　図９は第９の実施形態を示すもので、前述した第４の実施形態において、前述した第５の実施形態と同様に、混合バッファタンク１９の排気口２３付近に、外気混合手段を設けた構成である。すなわち、前記排気口２３へ外気を供給するポンプＰ５を設けた構成である。したがって、上記構成によれば、前述した第４の実施形態及び前述した第５の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。

　図１０は第１０の実施形態を示すもので、前述した第４の実施形態において、前述した第５の実施形態及び第６の実施形態と同様に、混合バッファタンク１９の排気口２３付近へ外気を供給するポンプＰ５を設けると共に、排出路２９の出口３３付近へ外気を供給するポンプＰ６を設けた構成である。したがって、上記構成によれば、前述した第４の実施形態、第５の実施形態及び第６の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。

本発明の第１の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第９の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。 本発明の第１０の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の説明図である。

符号の説明

１…燃料電池
３…筐体
５…燃料電池セル
７…アノード
９…カソード
１１…電解質膜
１５…ヒータ
１７…タンク
１９…混合バッファタンク
２３…排気口
２７…燃料供給路
２９…排出路
３１…熱交換器（凝縮器）
３１Ａ…熱交換器（凝縮器）
３３…出口
３５…入口
３７…空気供給路
３９…接続路
４１…排出路
４３…開閉弁
４５…開閉弁
４７…開閉弁

Claims (5)

1. 　アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池セルと、前記アノードに対してメタノールを供給するための燃料供給手段と、前記カソードに対して空気を供給するための空気供給手段と、前記カソードから排気される気体を凝縮する熱交換器とを備え、前記空気供給手段によって前記カソードへ供給する空気によって前記熱交換器の冷却を行う構成であることを特徴とする直接型メタノール燃料電池。
2. 　アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池セルと、前記アノードに対してメタノールを供給するための燃料供給手段と、前記カソードに対して空気を供給するための空気供給手段と、前記カソードから排気される気体を凝縮する熱交換器とを備え、前記燃料供給手段によって前記アノードへ供給するメタノールによって前記熱交換器の冷却を行う構成であることを特徴とする直接型メタノール燃料電池。
3. 　アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池セルと、前記アノードに対してメタノールを供給するための燃料供給手段と、前記カソードに対して空気を供給するための空気供給手段とを備え、前記カソードから排気される気体の一部を前記空気供給手段に回収自在の構成であることを特徴とする直接型メタノール燃料電池。
4. 　請求項１，２又は３に記載の直接型メタノール燃料電池において、前記燃料電池セルを内装した筐体の排気口付近に、当該排気口から排出される気体に外気を混合するための外気混合手段を備えていることを特徴とする直接型メタノール燃料電池。
5. 　燃料電池セルと、当該燃料電池に対して燃料を供給するための燃料供給手段と、前記燃料電池セルに対して空気を供給するための燃料供給手段とを内装した筐体の排気口付近に、当該排気口付近内の気体に外気を混合する外気混合手段を備えたことを特徴とする直接型メタノール燃料電池。

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